コンテナ化とそのメリットについて

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コンテナ化は、クラウドコンピューティングの最新の流行語となっており、多くの人が、新しいスケーラブルなクラウドネーティブアプリケーションを作成することで、レガシーシステムの最新化に貢献できると考えています。では、なぜ今、コンテナ化が必要なのでしょうか?

 

その必要性と本質を理解するために、まずは仮想化と、クラウドでの仮想マシン (VM) の利用拡大について説明します。一般的に、ほとんどの企業はクラウド環境 (パブリックまたはプライベート) を利用しており、スケーラビリティとロードバランシング機能を備えた VM を実行するインスタンスがコンピューティング層を担っています。

 

しかし、仮想化のアプローチにはいくつかの課題があり、こうした環境の効率を低下させていました。課題は以下のとおりです。

 

  • 環境の不整合 – アプリケーションとパッケージの仮想環境への配備

  • OS の依存関係 – 配備されたアプリケーションは、互換性のある OS 上でのみ動作

  • 隔離レベル – オペレーティングシステムレベル以上のインスタントサンドボックスを提供できない

  • コンピューティング消費の粒度 – 複数の複製アプリケーションを配備できない一方、アプリケーション層での負荷分散は単一のマシン内でのみ発生し、OS 層では発生しない

  • 本番環境でのパッチイメージ – カナリアやブルーグリーン配備は、クラスタレベルでの柔軟性に欠け、複数のリージョンにまたがって管理することが難しい

     

では、このような仮想化の問題を解決するにはどうすればよいのでしょうか。

 

その答えはコンテナ化です。

 

コンテナ化は、仮想化よりも効率が良く、仮想化が自然に進化した形といえます。仮想化は、単一のサーバーに複数の OS を分散させるうえで重要な役割を果たしますが、コンテナ化はさらに柔軟できめ細かい対応が可能です。

 

これは、オペレーティングシステムをより効率的に使用できるようなチャンクに分解することに焦点を当てています。さらに、アプリケーションコンテナでは、ポータブルでソフトウェアデファインド環境でアプリケーションをパッケージ化する方法を提供しています。

 

レガシーアプリケーションを最新化し、拡張性のある新しいクラウドネーティブソフトウェアを作成する企業を支援するアプリケーションコンテナ技術の市場は大きく、ますます拡大しています。

 

コンテナ化とは

 

OS 仮想化の一種であり、同じ共有オペレーティングシステムを使用する、コンテナと呼ばれる独立したユーザー空間でアプリケーションを実行します。アプリケーションコンテナは、完全にパッケージ化されたポータブルコンピューティング環境です。

 

  • バイナリ、ライブラリ、依存関係、設定ファイルなど、アプリケーションの実行に必要なすべてのものが、コンテナ内にカプセル化されて分離されています。

  • アプリケーションをコンテナ化すると、コンテナがホストオペレーティングシステムから取り除かれ、基盤となるリソースへのアクセスが制限されます。これは軽量仮想マシンと似ています。

  • コンテナ化されたアプリケーションは、環境ごとにリファクタリングすることなく、ベアメタル、クラウド、VM 内など、さまざまな種類のインフラ上で実行できます。

 

コンテナ化することで、起動時のオーバーヘッドが少なくなり、また、1 つのオペレーティングシステムカーネルを共有するため、アプリケーションごとに個別のゲストオペレーティングシステムを設定する必要がありません。この効率の良さから、ソフトウェア開発者は一般に、アプリケーションのコンテナ化を利用して、最新のアプリケーションを構成する複数のマイクロサービスをパッケージ化します。

 

コンテナ化の機能

 

コンテナ化により、ソフトウェア開発者はアプリケーションをより早く、より安全に作成してデプロイできます。従来の方法では、特定のコンピューティング環境でコードを開発し、それを新しい場所に移すとエラーやバグが発生することがよくありました。たとえば、デスクトップ PC から VM にコードを転送する場合や、Windows から Linux オペレーティングシステムにコードを転送する場合などです。

 

コンテナ化することで、サプリケーションコードを関連する設定ファイルや依存関係、ライブラリなどと一緒にバンドルすることができるため、この問題を解消できます。次に、単一のソフトウェアパッケージ (コンテナ) をホスト OS から抽出することで、スタンドアロンかつ移植可能な状態にして、あらゆるプラットフォームやクラウド上で問題なく実行できるようにします。

 

プロセスの分離とコンテナ化の概念は何十年も前から存在していますが、2013 年にオープンソースの Docker Engine が登場したことで、アプリケーションコンテナ技術の導入が加速しました。Docker Engine は、汎用的なパッケージング手法とシンプルな開発者ツールにより、コンテナ化プロセスの業界標準となりました。

 

業界では、コンテナを「ライトウェイト (軽量)」と呼んでいます。つまり、マシンの OS カーネルを共有し、仮想化の場合と同様に、アプリケーションごとに OS を関連付けるオーバーヘッドを必要としません。したがって、コンテナはもともと仮想マシンよりも容量が小さく、起動時間も短くて済むため、1 つのコンピューティング容量でより多くのコンテナを 1 つの VM として動作させることができます。その結果、サーバーの効率が向上し、サーバーやライセンスのコストを削減できます。

 

つまり、開発者はアプリケーションを一度作成さえすれば、コンテナ化によってどこでも実行できるようになります。開発プロセスやベンダーの互換性の観点からも、このレベルの移行性は不可欠です。また、障害の切り分け、セキュリティ、管理のしやすさなどのメリットもあります。

 

アプリケーションのコンテナ化

 

コンテナは、アプリケーションを実行可能なソフトウェアパッケージとしてカプセル化します。このパッケージでは、アプリケーションコードと、実行に必要な関連する設定ファイル、依存関係、およびライブラリをすべてバンドルします。コンテナ化されたアプリケーションは、OS のコピー内にバンドルされていないため、分離されています。代わりに、開発者はオープンソースのランタイムエンジン (Docker ランタイムエンジンなど) をホストの OS にインストールし、これがコンテナにとってコンピューティングシステム上の他のアプリケーションコンテナと OS を共有するためのパイプ役になります。

 

また、共通のライブラリやバイナリなど、他のアプリケーションコンテナレイヤーを複数のコンテナ間で共有することもできます。各アプリケーション内に OS をインストールして実行するオーバーヘッドがなくなり、コンテナの容量を小さく (軽量化) して起動を高速化することで、サーバーの効率が向上します。アプリケーションとコンテナを分離すると、1 つのコンテナの悪意あるコードが他のコンテナに影響を与えたり、ホストシステムに侵入したりする可能性を減らすことができます。

 

ホスト OS からの抽出により、コンテナ化されたアプリケーションが移行可能となり、あらゆるプラットフォームやクラウドで一貫性のある均一な動作が可能になります。開発者は、Windows OS から Linux OS のように、あるプラットフォームから別のプラットフォームへコンテナを簡単に移動できます。また、従来の「ベアメタル」サーバーや、オンプレミスまたはクラウドの仮想化インフラ上でも安定して動作します。そのため、開発者は自分が必要とするプロセスやツールを使い続けることができます。

 

コンテナ化の長所やメリット

 

コンテナ化されたアプリケーションは、デジタルワークスペースのユーザーに容易に配信できます。コンテナ化は、ソフトウェア開発者や開発チームにとって、優れた俊敏性と移行性、コスト管理の改善など、大きなメリットをもたらします。以下にその長所を紹介します。

 

        1. 移行性

 

アプリケーションコンテナは、ホスト OS から取り出した、実行可能なソフトウェアパッケージを作成します。したがって、ホスト OS に依存したり、紐付けられることなく、移行性が高く、あらゆるプラットフォームやクラウドで一貫性のある均一な動作が可能になります。また、開発者が使用する OS の統合方式により、アプリケーションの機能を妨げようとするような統合などの不整合を回避できます。

 

        2. スピード

 

コンテナがホストマシンの OS カーネルを共有し、余分なオーバーヘッドを受けないことから、開発者はこれを「ライトウェイト (軽量)」と呼んでいます。機能が軽量であることから、サーバーの効率が向上し、サーバーやライセンスのコストを削減できます。また、起動する OS ないため、起動時間が短縮されます。

 

Docker コンテナを使用すると、アプリケーションのマスターバージョン (イメージ) を作成し、必要に応じてすばやく配備できます。コンテナ環境により、アプリケーションのコンテナ化されたインスタンスを複数、オンデマンドで新たに作成する場合に、高い柔軟性が確保されます。

 

        3. 拡張性

 

アプリケーションコンテナ技術には、高い拡張性があります。アプリケーションコンテナは、既存のアーキテクチャを再構成し、サービス指向のアプリケーション設計でリソースを有効にすることで、増大するワークロードに対応できます。また、開発者は分散したマシンのクラスタ内にコンテナを追加することもできます。

 

コンテナ環境では、元のアプリケーションに影響を与えることなく、新しい機能やアップデートを即座に追加できます。これによって、コンテナは最小限のリソース使用でアプリケーションの拡張性を実現します。

 

        4. 迅速性

 

コンテナを実行するための Docker Engine は、シンプルな開発ツールに加えて、Windows と Linux のオペレーティングシステムで動作する普遍的なアプローチにより、アプリケーションコンテナの業界標準となりました。そのコンテナエコシステムは現在、Open Container Initiative (OCI) の管理下にあるエンジンに移行しています。そのため、開発者は DevOps ツールとプロセスを継続して使用し、迅速なアプリケーションの開発と強化に取り組むことができます。

 

        5. 効率性

 

コンテナ環境で動作するソフトウェアは、ホストマシンの OS カーネルを共有するため、開発者はコンテナ間でアプリケーション層を共有できます。また、コンテナはもともと仮想マシンに比べて容量が小さくなります。起動時間が最小限で済むため、開発者は 1 台の仮想マシンと同じコンピューティング容量で、より多くのコンテナの実行が可能です。その結果、サーバーの効率が向上し、関連するサーバーやライセンスのコストを削減できるのです。

 

        6. 障害の切り分け

 

アプリケーションをコンテナ化することで、アプリケーションを分離し、他のアプリケーションから独立して動作させることができます。そのため、1 つのコンテナに障害が発生しても、他のコンテナの動作には影響しません。開発チームは、不具合のあるコンテナ内の技術的な問題を、他のコンテナのダウンタイムを発生させることなく、迅速に特定して修正できます。さらに、コンテナエンジンは、SELinux のアクセス制御のようなオペレーティングシステムのセキュリティ分離技術を活用して、コンテナ内の障害を特定して分離することができます。

 

        7. セキュリティ

 

アプリケーションをコンテナとして分離して、悪意のあるコードによって他のコンテナ化されたアプリケーションやホストシステムが影響を受けないようにします。また、セキュリティ権限を定義して、他のコンテナに入ろうとする不要なコンポーネントへのアクセスを自動的にブロックしたり、通信を制限したりできます。

 

アプリケーションの分離により、開発者はリスク要因なしに追加機能を共有できます。たとえば、ネットワーク外の開発チームと連携する場合、ネットワーク内の重要な情報を除き、必要なリソースだけを共有できます。

 

        8. 容易な管理

 

コンテナオーケストレーションプラットフォームを使用することで、コンテナ化されたワークロードやサービスのインストール、管理、スケーリングを自動化できます。新しいバージョンのアプリケーションの導入、コンテナ化されたアプリケーションのスケーリング、モニタリング、ロギング、デバッグ機能の提供など、コンテナオーケストレーションによって管理作業を容易にすることができます。

 

        9. 継続性

 

別々のコンテナが独立して実行されるため、1 つのコンテナに障害が発生しても他のコンテナの継続性に影響することはありません。開発チームは、コンテナのエラー修正のために他のコンテナでダウンタイムを発生させないという柔軟性が得られます。そのため、コンテナ化により、運用の継続性が保証されます。

 

        10. 開発者指向

 

コンテナは開発と本番を 1 つの環境で行うことができるため、開発者にとっては使いやすいものです。Web アプリケーション開発ではよく見られる障害ですが、開発チームが Windows ノート PC で作成したアプリケーションが、Mac ワークステーションでは動作しないことがあります。

 

コンテナ化では、チームがローカルで構築したイメージと同じものが、本番で実行されます。適切なワークフローと組み合わせることで、コンテナアプリケーションは、ある場所では問題なく動作していても、別の場所ではバグが発生するというケースを最小限に抑えることができます。さらに、コンテナ構築のワークフローは、CI/CD パイプラインの統合にも非常に有効です。こうしたメリットにより、開発チームの生産性と効率性が向上します。

 

コンテナ化の問題点

 

コンテナは完璧ではなく、短所や制限もあります。まず、コンテナ戦略を策定して立ち上げ、効果的に管理するには、意外と多くのセットアップ作業が必要です。アプリケーションのサポートや依存関係が不十分であり、この分野では新しい技術であるにもかかわらず、まだ完全な解決策はありません。さらに、資格やスキル、経験を持った専門家も十分ではありません。

 

コンテナはアプリケーションの柔軟性を高める一方で、複雑さが多方面で生じます。これは、セキュリティ、オーケストレーション、モニタリング、データストレージなどの面で生じる可能性があります。

 

  • セキュリティ: 従来の VM と比較して、コンテナには潜在的に大きなセキュリティリスクがあります。複数の層があるため、多層セキュリティが必要です。そのため、コンテナ化されたアプリケーションに加えて、レジストリ、Docker デーモン、ホスト OS などを保護する必要があります。

  • オーケストレーション: 仮想マシンには単一のオーケストレータを使用できます。これは仮想化ソリューションに付属しています (VMware の VMware オーケストレータなど)。しかし、コンテナに関しては、Kubernetes、Mesos、Swarm といったさまざまなオーケストレーションツールから選択する必要があります。

  • VM のデータストレージは簡単ですが、コンテナの場合は複雑になります。永続的なコンテナデータの場合は、アプリケーションコンテナからホストシステムや永続的なファイルシステムのある場所に移動させる必要があります。コンテナの設計が、コンテナデータ消失の原因となっているのです。内部のデータは、別の場所に保存しておかないと、コンテナが停止した場合に永遠に消える場合があります。

  • 監視: パフォーマンスやセキュリティ上の問題がないか、コンテナを監視することも非常に重要です。この課題に対処するには、さまざまな必須の監視ツール、外部監視サービス、分析を利用するという選択肢があります。クラウド環境は複雑であるため、セキュリティ問題を綿密に監視する必要があります。

     

それでも、コンテナ化のメリットはデメリットをはるかに上回ります。そのため、コンテナが必要かどうかを判断するのは、クラウドに対する特定の要求だけに左右されることになります。

 

エンタープライズ環境におけるコンテナ化のメリット

 

アプリケーションをコンテナ化することで得られるメリットを考えると、企業が仮想化ではなくコンテナ化の導入を急速に進めている理由は容易に想像できます。コンテナ化は、アプリケーションの開発、配備、管理に優れたアプローチです。コンテナ化により、ソフトウェア開発者は、従来のモノリス (単層型アプリケーション) であれ、モジュール型マイクロサービス (疎結合のサービスの集合体を指す) であれ、アプリケーションを迅速かつ安全に作成し、配備できるのです。

 

新しいクラウドベースのアプリケーション (コンテナ化されたマイクロサービス) をゼロから構築し、その過程で、複雑なアプリケーションを一連の管理可能な専用のサービスに分割することができます。既存のアプリケーションをコンテナに再パッケージ化して、コンピューティングリソースを効率的に活用できるのです。

 

企業では、コンテナ化の使用を決定する前に、すべての選択肢を評価する必要があります。一見すると有益で効果的なものに思われ、実際そのとおりなのですが、それが自社にとって最適な選択肢なのかどうかを見極める必要があります。メリットとデメリットをすべて検討してください。

 

実際のところ、競争が激しく進化の早いテクノロジ時代に組織や企業が生き残り、成功するには、デジタル変革は避けて通れません。コンテナ化、クラウド、ビッグデータ、ブロックチェーン、AI、モバイル活用は、デジタル変革の実現に必要なトレンドコアテクノロジの柱の一部であり、企業が活用しなければならないものです。

 

さらに、コンテナ化は小規模企業に新たな俊敏性をもたらします。デジタル経済の中で成功している企業は、デジタルネーティブな企業を運営し、市場の需要と要件に応じて事業を再構築しています。小規模企業であれば、コンテナ化を利用して柔軟なアプローチを導入し、大企業に匹敵する迅速さでサービスを拡大できます。

 

Docker によるコンテナ化

 

Docker Engine は、おそらく世界中で最もよく知られ、使用されているコンテナエンジン技術です。コンテナアーキテクチャにおける主要な要素である Docker は、OS 内にコンテナを作成するための、Linux カーネルをベースにしたオープンソースです。

 

Docker で 1 つの OS カーネルにアクセスすると、それぞれのコンテナで実行されている複数の分散アプリケーションを管理できます。コンテナ化の単位は、開発者が 1 つの仮想出荷で実装するソフトウェアパッケージです。

 

開発者は Docker イメージからコンテナを作成します。このステータスは読み取り専用ですが、Docker は読み取り/書き込み可能なファイルシステムを追加してコンテナを作成します。ここで、コンテナとローカルホスト間の通信を可能にするネットワークインターフェースを起動します。次に、IP アドレスを追加し、指定されたプロセスを実行します。各コンテナには、プログラムの実行に必要な要素 (ファイル、冗長部分、ライブラリ) が含まれています。

 

コンテナ化と仮想化

 

コンテナ化や仮想化の技術により、開発者は単一の環境で複数のソフトウェアタイプ (Windows ベースまたは Linux ベース) を実行できるため、コンピューティング効率が大幅に向上します。しかし、アプリケーションコンテナ技術は、仮想化よりも大きなメリットをもたらすことが実証されており、IT プロフェッショナルに支持されている技術です。

 

仮想化により、1 台の物理的なコンピュータのリソースを共有しながら、複数の OS とソフトウェアアプリケーションを同時に実行できます。たとえば、Linux 版および Windows 版の OS と複数のアプリケーションを、同じサーバー上で実行できます。開発者は、各アプリケーションとその関連ファイル、依存関係、ライブラリ (OS のコピーを含む) を仮想マシンとしてパッケージ化します。1 台の物理マシン上で複数の VM を稼働させることで、初期設備投資、運用、エネルギーの各コストを大幅に削減できます。

 

一方で、コンテナ化により、コンピューティングリソースが効率的に利用されます。コンテナは実行可能なソフトウェアパッケージを作成します。これには、実行に必要なアプリケーションコードと関連する設定ファイル、依存関係、ライブラリがバンドルされています。しかし、VM とは異なり、コンテナには OS のコピーがバンドルされません。代わりに、開発者はランタイムエンジンをホストシステムの OS にインストールし、すべてのコンテナが同様のオペレーティングシステムを共有できるようにするパイプ役とします。

 

先に述べたように、開発者はコンテナを「ライトウェイト (軽量)」と呼ぶことがよくあります。これは、コンテナがホストマシンの OS カーネルを共有し、各アプリケーション内に OS のオーバーヘッドを必要としないためです。さらに、他のコンテナレイヤー (共通ライブラリやバイナリ) を複数のコンテナ間で共有することができるため、コンテナは仮想マシンよりも容量要件が少なく、起動も高速になります。

 

したがって、複数のコンテナを 1 つの仮想マシンと同等のコンピューティング能力で実行できます。このため、サーバーの効率が向上し、ライセンスやメンテナンスなどの関連コストを削減できます。

 

結論

 

コンテナ化はソフトウェア開発の最新トレンドの 1 つであり、導入規模、導入スピードともに大きく成長するでしょう。コンテナ化を支持する人々は、開発者がソフトウェアやアプリケーションを従来の方法よりも速く、安全に作成し、デプロイすることができると考えています。業界では、コストは高くなりますが、コンテナ化に関連するコストは、環境が発展し成熟するにつれて低下すると考えられています。
 

アプリケーションコンテナ技術の利用は、企業や業界を問わず広く普及しています。また、今後数年間で急速に増えていくと予想されます。ほとんどの企業は、アプリケーションのクラウドネーティブなコンテナ化にすでに取り組んでいるか、既存のモノリスをコンテナに分割してコンテナ化アーキテクチャがもたらすメリットを享受しています。

 

ここまでで、コンテナ化の概要、エンタープライズ環境でのメリット、その長所と問題点について理解していただけたと思います。また、Docker コンテナ技術や、コンテナ化と仮想化の違いについても学びました。

 

セキュリティと Web アプリケーションの分離を仮想化に大きく依存しているのであれば、コンテナ化による恩恵を受けられるでしょう。

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